fbg传感器在公路隧道再次衬砌和围岩压力监测概述

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1、FBG传感器在公路隧道再次衬砌和围岩压力监测概述第一章绪论1.1引言进入21世纪以来，我国随着经济迅速发展与科技水平的不断提高，隧道在公路建设中的应用已引起越来越多的关注，并得到了迅速的发展。直到2010年底，已经通车公路險道达到5122.6km/7384座过去五年来，公路隧道通车里程以每年超过700公里的速度在快速的增长[2]。由于隧道成本高，运营管理比较复杂，所以各地各部门都十分的重视对隧道建设。现在，我国公路險道养护技术正处于起步阶段，伴随着公路隧道建设的跨越式发展，提高公路險道的运营养护管理水平刻不容缓[3]。目前，国内大部分公路隧道都不同程度的存在險道渗漏、衬砲开

2、裂、限界受侵、衬砲结构同围岩结合不密实等方面的质量问题14_5]。显然，要满足大规模、差异大的工程环境、实时动态监测且精准的变形监测要求[6]，传统的监测技术和方法已不能满足要求，需要不断研发出新的监测技.术和方法与之适应。光纤传感器正是这样的技术，它具有抗电磁千扰能力强、测量范围广、传输损耗小、测量精度高以及实时性强等特点[7_8]，并能够实现对險道结构变化过程长期监测，并对可能发生的病害情况进行预测预警。1.2隧道二次衬砌1.2.1隧道二次衬砌概述衬砌结构劣化是影响随道健康运营的最主要病害，具体表现在变形侵限、错台、掉块、渗漏水等方面。隨道病害不仅降低了其安全性、耐久性

3、及使用性能，还会诱发其他类型的病害，直接缩短隧道使用寿命。随道衬砲结构稳定予否，与險道围岩的性质、地应力的大小及施工方法等因素有关。.由于受技术条件和资金条件的限制，在險道衬砲结构的设计中，有一些因素难以确定，因此，衬砲结构的设计带有一定的盲目性，会导致结构强度不够或者围岩压力不协调，造成衬砌结构开裂、破坏。然而，工程上出现的衬砌开裂更多的是由于施工管理不当、衬砌厚度不足和混凝土强度不够造成的。衬砲结构的不稳，会导致衬棚局部开裂，为險道的后期运行埋下安全隐患，甚至会导致隧道大范围的塌方因此，加强施工管理，选择有效的方法监测公路險道混凝土衬砲质量已经迫在眉睫。现场二衬混凝土强

4、度的检测方法很多，如回弹法、超声法、钻芯法、超声回弹综合法等这些方法的基本原理是：混凝土试块的抗压强度与无损检测的参数之间建立起来的关系曲线，称为测强曲线，它是无损检测推定混凝土强度的基础。利用回弹仪检测普通混凝土结构构件抗压强度的方法简称回弹法。回弹仪是一种直射锤击式仪器。回弹法的原理是:由于混凝土的抗压强度与其表面硬度之间存在某种相关关系，而回弹仪的弹击锤被一定的弹力打击在混凝土表面上，其回弹高度与混凝土表面硬度呈一定的比例关系。第二章光纤Bragg光栅传感器工作原理2.1引言目前，国内已建和在建的大部分公路隧道都存在不同程度的质量问题，如險道渗漏、衬硕幵裂和限界受限等

5、[66]。因此，及时有效的监测公路隧道的安全信息，并对公路險道可能发生的质量问题进行及时准确的预测，可以保证隧道的安全运营，节省險道病害成本，具有重大的经济和社会效益。本文采用光纤光栅传感技术检测隧道的运营情况，并建立公路随道全寿命光纤监测系统，通过监测險道结构状态和受力特征，评估结构的安全水平并进行预警，其中，用光纤Bragg光栅应变传感器监测公路随道的二次衬砲应变情况，用光纤Bragg光栅土压力传感器监测險道的围岩压力变化情况，用光纤Bragg光栅温度传感器监测隧道的温度变化情况。2.2FBG传感器工作原理光纤Bragg光栅在外部应力和温度的共同作用下，其光栅周期A和有

6、效折射率/7#会随着它们的变化而变化，导致布拉格波长移位，再利用光纤光栅解调仪得到波长，最终达到获取应力值和温度值的目的。应力和温度对布拉格波长、的影响方式是大相径庭的，前者利用的是光栅周期和弹光效应，而后者则利用热膨胀和热光两大效应。埋入式FBG应变传感器原理图，参见图2-4。传感器主要由光纤Bragg光栅，内、外管组成，两端的法兰使传感器与混凝土协同变形，外管所受应变通过内外管间的粘接点传递到内管，内管带动光栅形变并使光纤Bragg光栅中心波长移位。通过测量光纤布拉格波长移位量，再通过合适的数学模型换算便可得到相应的应变。光纤Bragg光栅土压力传感器的原理图，参见图2

7、-5。土压力作用在一次膜片上，使一次膜片中心产生大小与所受应力呈线性关系的晓度变化，同时传压油腔内的液压油受到一次膜片的挤压作用，二次膜片受到液压油产生的等值均布压力产生晓度变化，二次膜片推动下方的传压杆向下移动，压迫传压杆下方的等强度悬臂梁使其自由端发生相同的晓度变化，从而使粘贴在等强度悬臂梁中心轴线上的光纤光栅发生布拉格波长移位。第三章光纤Bragg光栅传感网的建设...........193.1引言.........193.2温度补偿技术.........213.3FBG监测方案的制定.........243